超声学课件 第三章

相控阵超声探头
固定聚焦探头
多阵元相控阵探头
2.2

超声换能器的结构
单阵元和多阵元换能器 声聚焦和电子聚焦换能器 一维和二维换能器 数字和模拟波束生成器
2.2

超声换能器的结构
单阵元换能器

多阵元换能器
相控阵探头
方阵探头

多元线阵换能器
顺序扫描

多元线阵换能器
间隔扫描

多元线阵换能器
换能器阵列
匹配层
声透镜
外壳
电子凸阵超声探头

凸阵探头的结构原理与线 阵探头相类似，只是振元
排列成凸形；

但相同振元结构凸形探头
的视野要比线阵探头大。
电子凸阵超声探头

由于其探查视场为扇形，故对某些声窗较小的 脏器的探查比线阵探头更为优越； 比如检测骨下脏器，有二氧化碳和空气障碍的 部位更能显现其特点; 但凸形探头波束扫描远程扩散，必须给予线插 补，否则因线密度低将使影像清晰度变差。
Z1 ZT Z m
ZT -换能器阻抗； Z r -发射源内阻；Z1 -面材阻抗；
-介质中的声阻抗； Zm
-匹配层厚度 l
l


4
合适的厚度和特性阻抗的匹配层，可以改善换能 器的频带宽度。
第三节 超声换能器的声场特性

超声辐射声场的空间分布与辐射频率、辐射 孔径及辐射面结构等有关。

空间波束的指向性函数：

换能器的频率特性

从换能器的发射功率考虑，超声辐射至 发射阻抗的能量，只有当串联阻抗为零 时才最大；

所以，发射换能器的最佳工作频率等于 串联谐振频率，即：
f opt
1 fs 2 Cm Lm
暂态特性

暂态特性：换能器对脉冲的响应速率 换能器的频谱越宽，它的暂态特性也越 好，可允许的超声脉冲的宽度越窄
可见，当F一定时， z 与换能器孔径D的平方成反比。
聚焦焦点直径 d 为：
F d 2.44 ( ) D
超声波束处理技术--
电子聚焦
在分段聚焦方式中，当需要在不同深度 横向分辨性能相当时，要求随扫查深度 与聚焦焦距F增加，换能器孔径D也同步 增加。 很明显，沿声束方向，聚焦深度不能均 匀分段。离换能器表面越近，设臵的聚 焦焦点越密集。
超声波束处理技术---
电子聚焦
五、非球面电子聚焦 非球面聚焦声场和球面聚焦声扬相比， 旁瓣增加许多。

在发射端，采用变迹技术，即对各阵元射 声波幅度加权，可抑制某些深度的旁瓣， 但总的旁瓣仍很大。
超声波束处理技术---可变孔径


当采用线阵球面聚焦时，延迟时间关系： 1 F nd 2 2 fn (1 [1 ( ) ] ) t0 c F 声束宽度：

在电子扫描B超设备中，进行动态变迹处 理在于抑制旁瓣的影响。
超声波束处理技术---动态变迹
一、换能器的旁瓣
•
在没有采用动态变迹技术的B超设备中，旁 瓣是影响图象质量的最主要的因素之一。
超声波束处理技术---动态变迹

延迟网络相位量化误差产生栅瓣
• 在电子延迟聚焦相控阵延迟偏转扇形扫查
设备中，由于延迟网络延时或移相的非连 续性；
1 2
t0
超声波束处理技术--
电子聚焦
阵元接收回波信号并转换为电信号后，对 各阵元输出电信号按设计的聚焦延迟量进 行延迟。 接收聚焦焦距与发射聚焦焦距相同时，各 阵元输出接收回波信号进行延迟的延迟时 间关系与上式完全相同。

超声波束处理技术---
电子聚焦
二、凸阵电子聚焦 凸阵扇形扫查有其独特优点，并已在B超 中被推广使用。
Wf 2.44 F / nd
超声波束处理技术---可变孔径
超声波束处理技术---可变孔径
超声波束处理技术---可变孔径

可变孔径只能在 声波接收过程中 实现； 常与接收动态聚 焦配合使用。

超声波束处理技术---动态变迹

医学超声波系统中，主波束宽度、旁瓣级 大小、能获得的信号动态范围是影响超声 波信号与图象质量的三个重要的因素。

超声波束处理技术--一、线列阵电子聚焦
电子聚焦
2. 电子聚焦原理及其延时公式
超声波束处理技术--
电子聚焦
设阵元中心间距为d，换能器孔径为D，聚 焦点离换能器表面距离p，聚焦焦距为F， 传播介质中声速为c。 延时公式：

f
n
nd 2 F 1 1 c F
• 在全数字化超声设备中,采用通道信号产生
相位延迟量化误差。
超声波束处理技术---动态变迹

折射相位误差产生栅瓣
• 在现有大多数医用超声仪器诉设计中，将
人体软组织中声速恒取1540m/s。

实际上，不同软组织界面上的折射，将使各阵 元发射和接收到的声波声程在设计值的基础上 产生附加的变化。
超声波束处理技术---动态变迹
•探头产生入射超声波和接收反射超声波 •高频电能激励探头中的晶体产生机械振动，
反射超声波的机械振动又可以通过探头转 换为电脉冲。
什么是超声换能器

利用压电陶瓷或晶体的正压电效应和逆压 电效应，可以将其做成超声波发射和人体 组织反射波接收的器件，即超声换能器， 也称探头。

探头能将电能转换成声能，又能够将声能 转换成电能；是超声诊断仪器的重要部件。 原理：晶体的压电效应

超声波束处理技术---动态变迹
二、变迹与动态变迹

孔径尺寸变迹 幅度加权变迹 幅度加权动态变迹
超声波束处理技术---动态变迹

幅度变迹
• 接收幅度变迹技术的基本出发点： • 对中心阵元信号赋予较大的权系数，向两边权
系数逐步渐减小，各阵元输出信号加权求和。
超声波束处理技术---动态变迹

超声波束处理技术--四、动态聚焦 3. 实时连续动态聚焦

电子聚焦
在信号接收过程中，同步连续的改变压控振荡 器输出参考载波频率，则延迟线各抽头输出参 考载波相位也同步连续变化。
因而，实时同步连续的改变了焦距焦距。

超声波束处理技术---
电子聚焦
五、非球面电子聚焦 采用球面聚焦方式，在焦点附近可使声束 很窄，但聚焦深度△z是十分有限的。 采用动态聚焦技术可使接收声束在不同深 度上均接近最佳，但发射声束只能采用固 定聚焦方式； 为了使发射聚焦深度覆盖绝大部分扫查深 度，发射聚焦只好采用弱聚焦方式。
第二节 超声换能器的种类、结构和特性

超声换能器的种类 超声换能器的结构 超声换能器特性
2.1 超声换能器的种类

诊断部位和应用方式 探头中换能器所用振元数目 声束特性 波束控制方式 探头的几何形状

诊断部位分类：
• • • • • •
眼科探头
心脏探头
腹部探头
颅脑探头
腔内探头
儿童探头

波束控制方式分类：
•线扫探头 •相控阵探头 •机械扇扫探头 •方阵探头

几何形状分类
•矩形探头 •柱形探头 •弧形探头(凸形) •圆形探头 •柱形探头
柱形单振元探头

特征频率

受电激励后振动时间
的长短（暂态特性） 体积的大小



探头中换能器所用振元数目分类：
单阵元探头 多阵元探头
超声波束处理技术--三、面阵电子聚焦 1. 方阵电子聚焦
电子聚焦
超声波束处理技术--三、面阵电子聚焦 2.环阵电子聚焦
电子聚焦
表1 环阵阵元的尺寸
超声波束处理技术--四、动态聚焦 1. 非实时动态聚焦
电子聚焦
超声波束处理技术--四、动态聚焦
电子聚焦
Байду номын сангаас
2. 实时分段动态聚焦

不可能在发射时间内通过动态改变发射 焦距延迟达到动态聚焦的目的。 但在接收时间内，可个根据产生的回波 目标的深度，由浅渐深地改变焦距。
第三章 医用超声换能器

超声换能器的压电效应 超声换能器的种类
主 要 内 容



超声换能器的结构
超声换能器特性
声场特性（聚焦直径、近场、远场、主瓣、 旁瓣、栅瓣…）
超声波束处理技术（主要方法及其特点和 应用）

什么是超声换能器

医学诊断上所使用的超声波频率一般为 0.5MHz～15MHz，多是由压电晶体一类的材 料制成的超声探头产生的。
飞越扫描

动态孔径换能器

环阵换能器
动态频率扫描

基本做法：
1. 对较浅的探查区域采用较高的发射频率以获 得较高的轴向分辨率；
2. 对较深的探查区域适当降低发射频率以保证 一定的探查深度； 3. 将采集到的不同深度处的图象“拼”在一起， 构成完整的图象。
模拟和数字式波束形成器
数字式波束形成器

超声波束处理技术--一、线列阵电子聚焦 1.聚焦深度和聚焦直径
聚焦焦距F
电子聚焦
D
d
z
超声波束处理技术--
电子聚焦
常将主声束上焦点两侧相对于聚焦点处声压下降 20%的主声束长度定义为聚焦深度，记为 z 。 在采用球面聚焦方式时：

F z 8.160 D

2
2F / D 1
•线阵超声探头 •凸阵超声探头 •相控阵超声探头 •方阵超声探头



声束特性分类：
非聚焦超声探头
聚焦超声探头
• 机械扇扫超声探头 • 电子线阵超声探头 • 电子凸阵超声探头 • 相控阵超声探头 • 二维面阵探头
非聚焦超声场
聚焦超声场
机械扇扫超声探头

机械扇形扫描超声探头配用于扇扫式B型超声 诊断仪，它是依靠机械传动方式带动传感器往 复摇摆或连续旋转来实现扇形扫描的。


当声透镜中的声速小于人体中的声速时，声学 透镜表面应为凸曲面。

由于在声透镜中，超声波的传播速度比在人体 中慢，虽然有晶体发射的超声波是同时进入声 透镜的，但其外周的超声波比还在声透镜中的 超声波做得既快又远。
在中部的超声波最后从声透镜中出来时，外周 的超声波已经走得很远，从而将超声波聚焦到 一点。
机械扇扫超声探头

保证探头中的压电振子作30次/s左右的高速摆动， 摆动幅度应足够大； 摆动速度应均匀稳定； 整体体积小、重量轻，便于手持操作;



外形应适合探查的需要，并能灵活改变扫查方向;
机械振动及噪声应小到不致引起病人的紧张和烦 躁。
电子线阵超声探头

开关控制器 阻尼垫衬



根据声学阵列的理论，当传播介质中声速 均匀分布时，主波束宽度随其偏转角度增 加而略为变宽，而旁般瓣级大小不随偏转 角变化。 但当传播介质中声速分布不均匀时，折射 相位误差产生的旁瓣或栅瓣将随偏转角增 大而增大。

超声波束处理技术---动态变迹

基于目前的电子扫瞄B型超声设备的水平，与 延迟网络相位量化误差相比，由折射相位误差 产生的旁瓣或栅瓣对图象质量的影响尚且处于 次要地位。 在有些全数字超声系统中，为了降低相位量化 误差，不得不采用很高的采样频率，因而，设 备难度和成本也随之增加。
• 描述发射器辐射声场或接收器灵敏度的空间分
布函数。

孔径分布函数与声压远场指向函数为一对 傅里叶变换。
换能器声场（近场与远场）
超声换能器与发射脉冲
声束的主瓣和旁瓣
声束的发散

动态孔径：近场用小孔径；远场用大孔径
第四节 超声波束处理技术

在超声波发射和 接收时，采用多 种波束处理技术， 使主波束变窄旁 瓣变小。
2.3 超声换能器的特性

频率特性 阻抗匹配 吸收特性 灵敏度 辐射特性
频率特性

一般取发射、接收系统带宽等于换能器的 带宽； 在保证信噪比的情况下，尽量利用换能器 的频带宽度。

f opt
1 fs 2 Cm Lm
阻抗匹配

电阻抗匹配
声阻抗匹配
Zr C Z T C0

幅度变迹
• 在接收过程中，也可采用其它幅度变迹函数，
声束的主瓣
声束的旁瓣
第四节 超声波束处理技术

（1）使晶体表面凹陷 （2）采用声学透镜聚焦


（3）可变孔径
（4）电子聚焦


（5）动态聚焦
（6）实时动态聚焦
（7）动态变迹
超声波束处理技术---凹面晶体

主要用于机械扇形扫描探头和连续波多普 勒探头
超声波束处理技术---声学透镜

光学聚焦原理类似，在平面晶体表面 附加声学透镜，可使超声波束汇聚到 一点，即焦点。 焦点深度，即焦距，由声学透镜曲率 半径、超声波在声学透镜中的传播速 度和人体中声速所决定。

超声波束处理技术---
电子聚焦
超声波束处理技术--四、动态聚焦 3. 实时连续动态聚焦

电子聚焦
为了使不同深度的断面图像都具有最佳的横向分辨 力，要求分段实时动态聚焦焦点越密集越好。
超声波束处理技术--四、动态聚焦
电子聚焦
3. 实时连续动态聚焦

在相控阵系中，电子聚焦延迟可由相位延迟来 实现，而用量化台阶较大的时间延迟网络对脉 冲回波包络进行群延迟，以实现声束偏转。 去掉群延时网络，上述方法也可用于线性扫描 的电子动态聚焦。